化学反应工程第三章

第三章釜式及均相管式反应器主要内容：第一节间歇釜式反应器第二节平推流反应器第三节全混流反应器第四节多级全混流反应器的串联及优化第五节理想流动反应器的组合与反应器体积比较第六节多重反应的选择率第一节间歇釜式反应器一.间歇反应器的特征工业上充分搅拌的间歇反应器接近于理想间歇反应器1.反应器内物料达到分子尺度均匀混合，浓度处处相等，可排除物质传递对反应过程的影响;2.反应器内各处温度相等，不需考虑反应器内热量传递;3.反应物料同时加入又同时取出，物料的反应时间相同。二.间歇反应器性能的数学描述1.反应时间t－XA的关系在反应器中，物料浓度和温度是均匀的，只随反应时间变化，可以通过物料衡算求出反应时间t和xA的关系式。衡算对象：关键组分A衡算基准：整个反应器（V）在dt时间内对A作物料衡算：[A流入量]=[A流出量]+[A反应量]+[A累积量]VARAdndtVr00000AAAAAAACCxCdCdxC－积分等容过程上式适用于等容、等温和变温的各种反应系统。))1((00AAAAAARAxnndtdxndtdnVrAfxARAArVdxnt00AfAAfAfCCAAxAAAxAARArdCrdxCrdxVnt000002.反应时间的计算已知反应动力学方程和组分A的浓度变化，就能按式计算反应时间。一般采用数值积分或图解法。如下图所示。AfAAfAfCCAAxAAAxAARArdCrdxCrdxVnt00000图解积分示意图t/cA0[rA]-1xxAfxA0t[rA]-1CACAfCA00AAfCACAdCtr00AfxAAAdxtCr3.实际操作时间实际操作时间=反应时间t+辅助时间t′辅助时间包括加料、调温、卸料和清洗等时间。4.反应体积VR=V′(t+t′)式中V′为单位时间所处理的物料量。三.间歇反应器中的单一反应设有单一反应A→P动力学方程为AnArkC积分上式，可计算A的残余浓度和转化率。AfAAfAfCCAAxAAAxAARArdCrdxCrdxVnt000001.残余浓度式计算经反应时间t后A的残余浓度。2.转化率式计算经反应时间t后A的转化率。A的残余浓度和转化率可用公式计算。间歇反应器中反应速率、转化率和残余浓度的计算结果列于表（3－1）。AfAAfAfCCAAxAAAxAARArdCrdxCrdxVnt00000反应级数反应速率残余浓度式转化率式n=0n=1n=2n级n≠1AArkCArk2AArkCAnArkC0AACktlnC0AAktCC0AAktCx0ktAACCe1ktAxe11Aktlnx011AAktCC011AAAxktCx0AACCkt0AAktxC001AAACCCkt001AAAktxCCkt1101()1nnAAktCCn11011(1)nnAAxktnC－－）（表3－1理想间歇反应器中整级数单一反应的反应结果表达式3.残余浓度和反应时间的关系0级反应：，直线下降；1级反应：较缓慢下降；2级反应：缓慢下降。对于一级或二级不可逆反应，在反应后期，CA的下降速率，即xA的上升速率相当缓慢。若追求过低的残余浓度，即过高的转化率，则在反应后期要花费大量的反应时间。（见书上例3-1）ACt随ACt随ACt随0AACCkt0ktAACCe001AAACCCkt例3-1在间歇反应器中进行等温二级反应A→B反应速率当CA0分别为1,5,10mol/l时，求反应至CA=0.01mol/l所需的反应时间。)/(01.02slmolCrA例3-2在一均相等温反应中，反应物A的初始浓度为0.04mol/l和0.8mol/l时，在34分钟内转化率为20%，问A的反应速率方程是多少？第二节连续流动均相管式反应器（平推流反应器）一.平推流反应器特点平推流反应器是指物料的流动状况符合平推流模型，该反应器称为平推流反应器，常用PFR表示。平推流模型是一种理想流动模型，所以平推流反应器是一种理想反应器。实际反应器中物料的流动，只能以不同的程度接近平推流，不可能完全符合平推流。平推流反应器具有以下特点：1.物料参数（温度、浓度、压力等）沿流动方向连续变化，不随时间变化；2.任一截面上的物料参数相同，反应浓度只随轴向变化；3.反应物料在反应器内停留时间相同，即反应时间相同；4.返混＝0二.平推流反应器计算的基本公式1.反应器体积VR衡算对象：关键组分A衡算基准：微元体积dVR稳定状态,在单位时间内对A作物料衡算：[A流入量]－[A流出量]－[A反应量]＝[A累积量]0AAAARNNdNrdV-(+)-＝AXAAXdX00,AVC,AfAfCXANAANdN00AXARrdV在内是均匀的。0AAAARNNdNrdV-(+)-＝0011AAA0AANNxVCx＝（-)＝（-)00AAARVCdxrdVAfA0A00AXRdxVVCr积分上式是平推流反应器体积计算的普遍式，适用于等温、非等温、等容和非等容等过程。AfA0A00A/XRdxVVCr00AfxAAAdxtCr2.间歇反应器和平推流反应器的关系等容过程平推流反应器间歇反应器间歇反应器中的结论完全适用于平推流反应器。R0000000/;(1)AfAfxxARAAmAAAnAAAAAdxVdxVVCtCrVrrkCCCx式中三.等温平推流反应器的计算等温平推流反应器是指反应物料温度相同，不随流动方向变化。将AnArkCAfAfAA0A00A000AXXRnAdxdxVVCVCrkC00(1)AAAAAACCxCdxdCAf0AA00100(1)AfAXCRnnnCAAAdxdCVVVkCxkC代入若为等容过程等温等容过程平推流反应器计算式见表（3－2）。反应级数反应速率反应器体积转化率式n=0n=1n=2n级n≠1AArkCArk2AArkCAnArkC1kAfxe0AfAkxC001AAAfCkxCk01111[1(1)]nAnAfxCkn表3－2等温等容平推流反应器计算式00(1)(1)(1)1AAkfCkCASxeSeABArkCC000BAACCSC00RAAfVVCxk011RAfVVlnkx001RAfAAfVVxCkx（）001(1)(1)AfAAfRSxCSxVVlnSk11100[1(1)](1)(1)nAfnARnAfVVknxCx例3-3今有二级反应AP,现有两个活塞流反应器串联操作，已知CA0=1mol/L，VR1=120L，VR2=240L，温度T1时，kT1=1L/(h.mol)，温度T2时kT2=2L/(h.mol)，进料流量V0=1L/min，试问下列情况何者为优：1.CA0→(VR1,T1)→CA1→(VR2,T2)→CAf2.CA0→(VR2,T2)→CA2→(VR1,T1)→CAf→全混流反应器是指物料流动状况符合全混流模型，该反应器称为全混流反应器（CSTR）。在实际反应器中，连续搅拌釜式反应器由于强烈搅拌，物料混合均匀，其流动状况接近全混流。第三节连续流动釜式反应器（全混流反应器）一、全混流反应器的特点1.反应器内物料参数（浓度、温度等）处处相等，且等于物料出口处的物料参数；2.物料参数不随时间而变化；3.反应速率均匀，且等于出口处的速率，不随时间变化；4.返混＝∞0()0AAAfRNNrV二、全混流反应器计算的基本公式1.反应器体积VR衡算对象：关键组分A衡算基准：整个反应器（VR）稳定状态：[A流入量]－[A流出量]－[A反应量]＝累积量0,0,0AAVNC,AAfNCAfX00AX0()0AAAfRNNrV0000(1)()AAAfAfRVCVCxrV()Afr式中指按出口浓度计算的反应速率。00()AAfRAfVCxVr0,0,0AAVNC,AAfNCAfX00AX00Ax000'()0'(1)(1)AAAfRAAAAAAfNNrVNNxNNx若,则物料衡算方程为:[A流入量]－[A流出量]－[A反应量]＝累积量00000(1)(1)()0AAAAfAfRVCxVCxrV000()/()AAfARAfCxxVVr上述公式均为普遍式，全混流反应器一般为等温反应器，公式可用于等容过程和非等容过程。表3－3列出了平推流反应器和全混流反应器的反应结果比较，其中0RVV2.物料平均停留时间tm对于等容过程，物料平均停留时间为，为接触时间。00()AAfRAfVCxVr00AAfAfACCxCfAAfAfAAfmRmrCCrxtVVt)()(C0A00平推流反应器与全混流反应器的比较例题：1.课本P.912.例3-4某二级液相反应A+B→C，已知CA0=CB0，在间歇反应器中达到x=0.99，需要反应时间为10min，问：（1）在全混流反应器中进行时，应为多少？（2）在两个串联全混流反应器中进行时，又为多少？第四节多级全混流反应器的串联及优化设有一反应，A的初始浓度为CA0，反应结束后最终浓度为CAf,反应的平衡浓度为CA*，考察平推流反应器和全混流反应器的浓度推动力。浓度分布------推动力反应推动力随反应时间逐渐降低（间歇反应器）反应推动力随反应器轴向长度逐渐降低（平推流反应器）反应推动力不变，等于出口处反应推动力（全混流反应器）由图示，显然有，ΔCA平ΔCA全平推流反应器中的浓度推动力大于全混流反应器中的浓度推动力。结果，平推流反应器体积小于全混流反应器体积。平推流反应器的物料参数如浓度等沿流动方向变化。对于等温反应，很难控制整个反应器内物料温度均匀。对于全混流反应器，物料参数是均匀的，对于物料温度的控制比较容易。在有机反应中，特别是多重反应，要求反应过程中物料浓度温度等参数保持均匀，否则极易发生副反应，所以一般选择全混流反应器。为了满足工艺要求，又要提高反应推动力，人们把一个大的反应器分割成m个小的全混流反应器，然后串联起来，称为“多级串联全混流反应器”。设有4级串联全混流反应器，其浓度推动力如图所示。ΔCA多=(CA1－CA*)1+(CA2－CA*)2+(CA3－CA*)3+(CA4－CA*)4显然ΔCA平ΔCA多ΔCA全当级数为∞，则ΔCA平＝ΔCA多一.多级全混流反应器的浓度特征CA0CA*CA4CA3CA2CA1CA0CA4CA3CA2CA100100(1)(1)AAiAAiAiRiVCxVCxrV二.多级全混流反应器的计算1.解析计算多级全混流反应器串联操作如图所示。设：稳定状态，等温，等容。对第i级作A的物料衡算，则有xAmVR1CA1CAiCAi-1CA2VRmVR2VRiVRi-1CA0CAmV0V0V0V0V0V0xAixAi-1xA2xA100100(1)(1)AAiAAiAiRiVCxVCxrV001()AAiAiRiAiVCxxVr01()AiAiRiAiVCCVr多级全混流反应器的级数一般为2－3级，所以可以按上式从第1级开始逐级计算。根据不同的已知条件计算反应器体积，级数或者最终转化率。或0RiiVV式中AiAirkC1()AiAiiAiCCkC2.一级不可逆反应对于一级不可逆反应，可以直接建立级数m和最终转化率之间的关系，不必逐级计算。上式可化为01()AiAiRiAiVCCVr由式，第i级式中01()AiAiRiAiVCCVriAiAikCC111111AiAiiCCk1012121211111121.......11111AAAAAmAmmAmAmmCiCkCiCkCimCkCimCk由式将上述诸式相乘imiAAmkC